基于工业以太网的煤矿井下胶带输送机监控系统的应用研究

邓风永 王朝阳

（1.焦作市明株自动化工程有限责任公司，河南 焦作454000；2.焦作华飞电子电器股份有限公司，河南 焦作454000）

煤碳产业是我国国民经济快速发展的基础，随着我国基础设施建设步伐的加快，能源需求增长加速，煤炭产量也迅速增长，但是由于煤矿井下作业远离地面，地形复杂，环境恶劣，井下监控设备落后等原因，严重制约着我国煤矿的安全开采，煤矿井下监控设备的更新已经迫在眉睫。

我国多数煤矿井下均采用分布式监控系统，即现场设备与控制器一对一的信息交换方式，该控制方式实时性差、信息集成能力不强、可靠性不易保证、系统不开放、可集成性差、可维护性不高，严重影响着矿井综合自动化程度的提高。

伴随着计算机、通信、网络等信息技术的高速发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业的各个角落，但是我国建设煤矿综合自动化的速度还远远落后于工业自动化技术的发展。如何让煤矿运用这些先进的自动化技术已成为我国矿山行业研究的热点。 基于此，本文提出了在矿井工业以太环网基础上建立井下胶带输送机监控系统的实施方案，以提高我国矿井的综合自动化程度。

1 煤矿井下胶带输送机监控系统的分析

煤矿井下胶带输送机是煤矿井下运输线的重要组成部分，一个煤矿的安全生产与输送机的安全、稳定运行是密不可分的。 老式的井下胶带输送机保护装置，无法实现装置之间的实时信息交换，更不能将现场胶带机的实时信息上传至井上，以供井上调度人员对胶带机的运行状态进行实时监控。 保护装置之间只有简单的I/O 闭锁，虽能满足现场运行要求，但是随着矿井自动化网络的建设，这种分布式控制思想已经不能融入到整个矿井的自动化系统当中，而且制约着矿井综合自动化水平的提高。

相比井下胶带输送机的控制系统，煤矿井下视频监控系统的实现要更容易。老式的煤矿井下视频监控系统，是由井下本安摄像仪、光端机组成的，虽然设备构成简单，但是随着井下监控地点的增加，就需要足量的视频线路将视频信号传递到地面上。 这样一来，视频线路的铺设就变得复杂化，因此制约了监控地点的建立，也无法实现网络化，维护不方便。

2 基于工业以太网的煤矿井下胶带输送机监控系统的介绍

本文提出的煤矿井下胶带输送机监控系统主要由输送机集中控制和输送机运行视频监控两部分组成，它依赖于工业以太网环网与地面监控计算机和工业电视进行实时数据交换[1]。 其系统结构图如图1所示。

如图1 所示， 该系统的输送机集中控制部分分为三个网络层次：设备层、控制层以及信息层[2-3]。在设备层，主要通过控制从站与现场设备进行信息交换，并采用总线式传感器、总线式急停开关等对该输送机实施保护，因此其可靠性大大提高、布线减少、安装方便，并可实现快速故障诊断；在控制层，主要利用现场总线技术[4-5]使控制主站与控制从站进行信息交换， 实现设备层各个控制从站之间的I/O 控制、闭锁和报文传送， 并将I/O 网络的功能和对等信息传输网络结合起来，保证了信息的实时性和确定性。同时，它也支持实时数据的传输，例如现场信息的上传以及控制指令的下传等；在信息层，采用工业以太网技术，通过TCP/IP 协议，将胶带输送机集中控制系统的所有信息显示在地面监控电脑上，以便生产调度监控人员实时掌握井下运输线的工作情况并对其进行控制操作，它还能将胶带输送机的实时信息连接至企业的信息系统。

该系统的视频监控部分由本安型摄像仪、本安型光端机、网络视频编码器以及网络视频解码器等相关设备组成。网络视频编码器可以将多路视频信号编码、压缩成一路TCP/IP 协议的网络视频信号，通过以太环网将网络视频信号上传至地面网络视频解码器，解码成标准的视频信号以供多个设备使用。

3 系统主要组成

3.1 地面控制中心监控部分

地面控制中心设置两台工业控制计算机（互为热备），配合相应的主流组态软件及传输接口，对井下运输线上所有胶带输送机的模拟状态进行图形显示，各条胶带输送机的故障状态及相关模拟量也可在地面监控中心的工业控制计算机上实时显示。

地面控制中心的工业控制计算机也可作为整个胶带机集控系统的控制中心，控制各条胶带输送机及其他设备的开停。

图1 基于工业以太网的煤矿井下胶带输送机监控系统结构图

3.2 集中控制部分

该系统的集中控制部分以建设数字化矿井为目的，从提高煤矿企业效益的角度，构架涵盖煤矿井下胶带输送机的安全监控、生产控制、设备监控的各个层次的自动化网络系统。各层次均采用国际先进的工业自动化网络技术，以达到系统安全、有效的运行。系统可对整个生产过程进行集中监控，能实时采集和显示现场各生产环节设备的运行状态，具备数据处理及与矿井综合控制系统联网功能。

该系统采用多种控制方式，既可以集中启动整条胶带输送机运输线，又可以灵活地进行就地控制。 因此可以使整条胶带输送机运输线在有煤时按序启动，无煤时按序停止，大大提高了胶带输送机的输煤效率，降低了胶带输送机的空载运行时间，减少了电能的浪费，实现了系统的节能降耗。

该系统还具有在整条胶带输送机运输线上的故障定位功能。相比老式控制装置故障无法定位， 需要大量人员逐个排查既浪费时间，浪费人力、效率低又耽误生产的缺陷，该系统在设计时充分考虑了故障定位功能。 故障出现后无需大量人员去逐个排查，只需一名维护人员按照系统故障提示的位置去排除故障即可，系统故障后恢复时间大大缩短，维护人员的使用效率也有很大提高。

3.3 视频监控部分

在井下设置一台多路网络视频编码器，将本安摄像仪输出的标准的模拟视频信号经编码调制、压缩后发送到以太环网上，供地面设备接收。该系统中，井下多台摄像仪共用一个环网交换机的接口，提高了网络资源和网络端口的利用率，从而提高了系统整体的网络性。

在地面控制中心设置一台多路网络视频解码器，由网络视频解码器提取以太环网上的网络视频信号，经过解压缩、解码成标准的模拟视频信号传出，再由视频分配器将视频信号分配给矩阵切换器和硬盘录像机，实时显示井下胶带输送机的运行状态和视频备份。

一个大型矿井安装的视频信号不会超过100 路，经压缩后需要约50Mbyte 网络带宽，而现在的矿井环网带宽多为1000Mbyte，因此足以满足视频信号的带宽。 使用网络视频信号后，将大幅地节省井下视频摄像仪的安装过程，非常便于维护，而且不受线路的制约，可以满足井下多处视频监控的需求。

4 结束语

该系统具有标准通用的工业以太网协议，可以和全矿井综合自动化系统实现汇接，实现信息共享。 系统的软、硬件均为冗余设计，这样使系统的安全性、稳定性大大提高。 系统中信息交换由下而上逐级集中，控制既可集中于信息层操作，又可分散于设备控制层实施。信息交换实时性好，可靠性高，风险分散，使用方便，组合灵活。更重要的是系统技术先进、功能完善、配置灵活，各个子站均可独立自成体系，可以按照矿井要求分步配置，进而实现最佳配置。

［1］张申.煤矿井下综合业务数字网网络结构的研究[J].煤炭学报,2002,4.

［2］张浩,谭克勤,朱守云.现场总线与工业以太网络应用技术手册(第一册)[M].上海科学技术出版社,2002,8.

［3］张浩,谭克勤,朱守云.现场总线与工业以太网络应用技术手册(第二册)[M].上海科学技术出版社,2004,1.

［4］刘曙光.现场总线技术的进展与展望[J].自动化与仪表,2000,15(3):1-6.

［5］赵君.现场总线技术进展[J].哈尔滨理工大学学报,2002,7(2):56-60.